Science Advances | 钟雪花/宋吉奎/蒋建军合作揭示DNA甲基化酶功能分化机制

责编 | 王一

DNA甲基化在调控基因表达、沉默转座子而维持基因组稳定性方面发挥着至关重要的作用。动物基因组中的DNA甲基化主要在发生在CG位点，而在植物中，这一过程则更为复杂，不仅限于CG位点，还广泛存在于CHG和CHH位点（H代表A、T或C）。植物的DNA甲基化由不同的酶负责：MET1负责CG，CMT3负责CHG，CMT2和DRM2负责CHH。特别值得注意的是，CMT3和CMT2是植物特有的同源DNA甲基化酶，但它们主要甲基化不同的位点，其背后的分子和进化机制一直不清楚。

2024年11月6日，美国圣路易斯华盛顿大学钟雪花教授课题组、加州大学河滨分校宋吉奎教授课题组以及河南大学蒋建军教授合作，在Science Advances上发表了题为Substrate specificity and protein stability drive the divergence of plant-specific DNA methyltransferases的研究论文，揭示了CMT2和CMT3产生功能分化的机制。这是该团队继2022年解析CMT3特异甲基化CHG的分子机制（）后的又一项重要进展。

在此前的研究中，研究人员发现玉米CMT3蛋白ZMET2的一个关键精氨酸残基（R804）与甲基化位点后第2位（+2）G通过形成氢键，实现对CHG的特异性识别，从而维持其甲基化。在最新的研究中，他们发现CMT2中识别+2 G的关键精氨酸位点发生了变异，导致失去对CHG的特异性识别能力。有趣的是，CMT3几乎存在于所有绿色植物中且功能保守；而CMT2仅存在于被子植物中，在一些基部被子植物如无油樟中，其CMT2的该位点依旧保持为精氨酸，表明CMT2是由CMT3分化而来。将拟南芥CMT2的该位点突变为精氨酸（V1200R）后，CMT2甲基化CHG的能力显著增强，可大量甲基化CHG，抑制转座子并改变多个基因的表达，证明CMT2中该位点的变异是导致功能分化的关键因素。

在苔藓植物中，异染色质区CHH的主要由DNMT3维持，但DNMT3在被子植物中缺失。CMT2的出现弥补了这一缺失对CHH甲基化的影响，并可能具备更高效的CHH甲基化能力。

与CMT3相比，CMT2不仅改变了底物特异性，还具有更长的N末端。该长N末端可以追溯到基部被子植物无油樟，呈现无序状态，仅含数个相对保守的基序和核定位信号。通过蛋白含量检测和N末端交换实验发现，该长N末端可导致CMT2蛋白稳定性降低，特别是在高温下引发蛋白的快速降解，意味着CMT2更容易响应环境变化。

由于CMT2长N末端的无序特性，其在物种间和物种内部均表现出较大变异。在拟南芥自然群体中，CMT2的大量自然变异集中于N末端。然而，许多品系中的变异没有明显影响整体DNA甲基化水平，表明CMT2的长N末端对自然变异高度容忍，可能通过重新翻译产生功能性CMT2蛋白。为了验证CMT2的功能，研究人员调查了更多拟南芥自然群体，发现来自西藏的拟南芥Lhasa-0（由复旦大学钟扬教授采集）的CMT2在甲基化酶功能区发生移码突变，导致整体CHH甲基化程度下降。

图1. 植物CMT类DNA甲基转移酶的作用和进化机制

综上所述，该研究揭示了CMT2和CMT3分别维持不同DNA甲基化的机制。CMT2拥有与CMT3类似的催化机制，但由于氨基酸变异失去了对CHG的特异性。CMT2是在被子植物中由更古老的CMT3通过复制和分化而来，具有长的无序N末端，影响其蛋白定位和稳定性。这一研究为理解DNA甲基化酶的进化及其在环境响应中的角色提供了新的视角。

图2. 植物CMT类DNA甲基转移酶的作用和进化机制漫画（绘图：Jia Gwee）

河南大学蒋建军教授和圣路易斯华盛顿大学Jia Gwee为该文共同第一作者。钟雪花教授和宋吉奎教授为共同通讯作者。该研究受到美国NIH和河南大学资助。钟雪花教授课题组正招收表观遗传学方向博士后，欢迎联系（https://sites.wustl.edu/zhonglab/news/）。宋吉奎教授课题组正招收结构生物学方向博士后，欢迎联系（jikui.song@ucr.edu）。蒋建军教授课题组主要研究大豆-根瘤菌共生固氮中的表观遗传机制，欢迎有兴趣加入课题组的学生和博士后联系（https://www.x-mol.com/groups/jiang）。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr2222